皮纳图博火山气溶胶的三维扩散及其气候效应的数值模拟
火山爆发是一种剧烈的突发性自然现象,它对人类社会的影响体现在两个方面:一是火山爆发喷射出的大量火山灰会随气流漂移到周边地区,对航空安全、社会生产生活、人类身体健康造成威胁,其沉降过程可能会导致酸雨等次生灾害;二是火山喷发的SO2气体会形成硫酸盐气溶胶,其在对流层中会很快沉降衰减,而在平流层中则会停留3~5年时间.由于平流层中的硫酸盐火山气溶胶会反射太阳辐射和吸收地面向上长波辐射,因而扰乱大气辐射平衡,影响地球系统能量收支,进而导致短期气候变化.尽管中国近代没有火山活动,但是台湾及东南沿海位于环太平洋火山带上,周边国家如菲律宾、印度尼西亚等在上世纪都有较大规模火山爆发.1991年6月吕宋岛的皮纳图博火山大爆发是上世纪最强的火山喷发,对中国及全球经济和气候产生了深远影响.因此研究火山爆发后火山灰或气溶胶的运移扩散以及其对气候系统的影响是十分重要的.本文利用National Center for Atmosphere Research(NCAR)的Community Atmosphere Model 3.0(CAM3.0)模式来模拟皮纳图博火山爆发后气溶胶的输运扩散得到三维火山气溶胶数据,并模拟气候系统对其的响应.模拟结果表明,在平流层:气溶胶在强劲东风的作用下,在高空(200hPa以上)快速向西漂移,23天即环绕纬圈一周;在非洲上空,一周后部分平流层气溶胶被欧亚大陆上的气旋捕获,开始向北半球扩散.该气旋中心的气溶胶随气流向下输运,至500hPa;少量气溶胶从印度洋上空(气旋)进入南半球.在对流层:先垂直输运,向上输运到100hPa,向下输运到1000hPa,形成一个上下基本均匀的气溶胶柱.第一周开始,300hPa以上的气溶胶向西运动;第一周之后,在气溶胶向北扩散至60 ? N后,随高纬西风向东漂移,在北半球扩散,且是300~500hPa的气溶胶;气溶胶从200hPa高空进入南半球,运动至30·S,然后向下运动至500hPa;高浓度中心始终维持在欧亚大陆东南部.利用得到的三维运移扩散结果反演得到三维火山气溶胶数据,将其应用于CAM3.0中,研究气候系统中相关变量的响应.对流层中的火山气溶胶随降水等过程会很快沉降,不会造成明显的气候效应,因此只需考虑平流层中的火山气溶胶.数值试验结果表明,平流层火山气溶胶会显著反射太阳短波辐射(最大值5.0W/m~2),吸收地面向上长波辐射(最大值1.0W/m~2),这造成地面净太阳辐射出现-4.5 W/m~2的异常,但地面净长波辐射没有明显变化.辐射的变化造成地表夏季最大0.8K的降温(全球平均),冬季最大0.5K的增暖,观测到的降温增暖振幅要比此模拟结果稍小;同时平流层出现2.0K的增温,比观测(1.6K)稍高.分析发现,夏季北半球大陆的增暖和降温主要是辐射异常造成的;而冬季北半球中高纬的增暖主要是温度平流异常(辐射变化引起大气环流场变化)造成的,低纬的降温主要是辐射负异常造成的.通过本文的研究,可以验证CAM3.0中大气环流场及示踪物输运的模拟能力,并深入了解火山气溶胶的三维扩散及其气候影响,为将来火山爆发后的火山灰扩散预测及火山气溶胶气候影响评估提供参考.
- 作者：
- 赵杰臣
- 学位授予单位：
- 国家海洋局第一海洋研究所
- 专业名称：
- 物理海洋
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2011年
- 导师姓名：
- 乔方利
- 中图分类号：
- P317.3；X513
- 关键词：
- 皮纳图博火山；CAM3.0；数值模拟；火山气溶胶；三维扩散；气候效应
- Mount Pinatubo；CAM3.0；numerical simulation；volcanic aerosols；three-dimensional diffusion；climate effect